基于环境监测的农业科学论文

摘要：拟研发基于专家系统的黄瓜种植园区智能监控系统，该系统可对黄瓜园区多处的温度、湿度、光照度、土壤水分含量、二氧化碳浓度进行实时监控，帮助管理员将作物生长环境调节到最佳状态。该系统基于ZigBee无线网络技术对环境数据进行采集传输，通过通用分组无线服务（GPRS）技术将环境数据上传到云服务器并存储，利用专家系统对黄瓜病害进行诊断，同时提供病害解决方案。今天小编为大家精心挑选了关于《基于环境监测的农业科学论文 (精选3篇)》，欢迎大家借鉴与参考，希望对大家有所帮助！

基于环境监测的农业科学论文 篇1：

基于物理数学模型与地理分析的活水鱼塘资源利用影响

摘要：基于活水鱼塘的资源利用进行了物理研究、数学分析与地理分析。在物理上通过对活水鱼塘的承压与鱼塘流水动力方式进行研究，研究倾角等参数对活水鱼塘资源利用效果的影响的研究，分析使活水鱼塘达到最大利用效果的塘形、与流水参数组合方式。虽然由于实验条件、时间、模型理论化等因素具有一定局限性，但仍为提高鱼塘资源的利用效果提供了方法与依据。在地理分析上，从鱼塘承水面类型、鱼塘水量平衡和流体改造、活水鱼塘区域规划对活水鱼塘资源利用的影响进行分析，分析得出活水鱼塘资源的充分利用的方法以及区域活水鱼塘分布的合理规划方式，与利用活水鱼塘进行精准扶贫与乡村振兴的可能性与针对性方案，以及活水鱼塘能为粤港澳大湾区发展带来优势与动力。

关键词：活水鱼塘;物理数学模型;活水鱼塘承压;活水鱼塘水动力;资源利用

1 引言

1.1 背景

近年来，习近平总书记提出了“绿水青山就是金山银山”的生态战略口号并强调：生态文明建设与自然环境资源的利用是关系中华民族永续发展的根本大计。政府和人民都开始越来越重视乡村建设与环境资源的利用。经走访调查发现很多农村地区的一种鱼塘类型——活水鱼塘正在成为村民们乃至整个地区具有极大价值的自然资源，活水鱼塘不仅可以为村民们与该地区提供经济收入、作为旅游资源、娱乐资源给当地带来收入，还对当地的生态环境以及生态建设布局具有重大的意义，是与精准扶贫，乡村振兴等国家战略息息相关的一种自然资源。

学界对鱼塘资源的研究很少，对活水鱼塘这一类型的鱼塘的研究更加不足。2019年陈水胜指出通过加强粤、港、澳三个区域的合作和融合发展休闲渔业与完善农村渔业基础设施建设。基于粤港澳大湾区各地的差异性，同年古小东发现，发展粤港澳大湾区需要加强环境监测资源养护，发展现代渔业。基于我国科技现状，冯伟良也在2019年指出科技创新与政策支持可以作为农村渔业发展的理论参照。

从以往的文献资料来看，目前学界对于鱼塘资源的研究还存在着几方面的不足：第一，针对鱼塘资源，特别是活水鱼塘资源主题的研究文献数量总体较少。第二，已有的相关文献较少将微观层面与宏观层面结合起来去研究鱼塘资源。第三，虽然有文献提及了渔业发展战略的问题，但是没有系统地对如何提高活水鱼塘的资源利用效果进行研究，在研究基礎上探寻在微观农村如何利用好活水鱼塘资源进行精准扶贫与乡村振兴，以及在宏观地区如何规划好活水鱼塘资源能推动区域融合发展。

1.2 意义

基于人们对活水鱼塘这一宝贵资源研究不够深入的现状，研究探索一套能提高活水鱼塘资源利用效果的方案及规划具有实用性与可行性，既符合国家发展战略又能解决实际普遍存在的问题，具有很大的研究价值。这项研究符合国家保护绿水青山的战略政策，对保护鱼塘，鱼塘生物等珍贵的自然资源有指导性作用，对祖国环保工作具有很大的推动作用。

2 研究思路与数据来源

2.1 研究思路

本文基于物理理论分析与模型模拟分析结合的方法，在物理层面通过对鱼塘进行理论分析、模拟数据定量分析与归纳，获得在不同情况下能使活水鱼塘达到最大利用效果的鱼塘承压与流水参数的物理结构因素与模型;在地理层面通过走访调查，归纳出鱼塘承水面类型，分析鱼塘水量平衡与动力改造作用。然后，基于最近4年粤港澳大湾区战略提取前后的农村渔业数据，运用GIS地理模型与爬虫技术来分析活水鱼塘资源与区域战略及地区的相互影响，来分析对单个活水鱼塘资源的充分利用的方法以及区域活水鱼塘分布的合理规划方式;最后运用地理学与社会学相结合，探究利用活水鱼塘进行精准扶贫与乡村振兴的可能性与针对性方案，以及活水鱼塘能带来的优势与动力。

2.2 数据来源

本文前期分析数据主要来源于《2019年中国渔业统计年鉴》《2020年中国渔业统计年鉴》《2019年中国城市统计年鉴》《2020年中国城市统计年鉴》《2019年广东省统计年鉴》与《2020年广东省统计年鉴》。对其中与本文有关的数据进行分析判读，深入了解粤港澳大湾区渔业鱼塘背景与现状，为研究打下基础。

本文在物理数学部分采用物理数学模型建模、3Dmax建模方法对活水鱼塘进行理想化模拟，以理论推导实际。然后进行实验模拟得出pH值、盐度、溶氧量与水温4个指标，通过这4个指标对活水鱼塘的微观物理作用进行分析判读。在地理方面通过走访调查获得数据。

最后本文在宏观分析部分利用python爬虫技术获得了网上有关活水鱼塘的数据，参考了广东省地质图、广东省地层硬度插值分析等数据，对惠州市惠阳区的活水鱼塘资源利用进行综合分析，探究区域战略与资源利用的相互影响，就活水鱼塘资源现状进行总结以及对未来发展战略提出建议。

3 基于物流数学模型的活水鱼塘资源利用

3.1 活水鱼塘的鱼塘承压对鱼塘资源利用的影响

经过研究调查发现，鱼塘内壁与水平地面的夹角与水的高度对活水鱼塘会产生影响。通过研究计算建模发现，倾角与水高的不同会对活水鱼塘资源利用的影响有所区别。

建模(见图1)。

对鱼塘侧面：

设鱼塘上底周长和下底周长和的一半为l，取鱼塘侧壁的微元，微元的宽为dm，高为dh，倾角为θ。

同理，对鱼塘底部有：

以黏土矿物为主要组成物质的鱼塘为例(控制其他变量)进行模型计算，得到结果(见表1)。

在倾角为60°时，此时趟水对内壁的总压强在80～100 mpa，故使水的侵蚀作用与土壤对水的净化作用达到一个较好的效果平衡。压力过大，水的侵蚀作用过大，导致鱼塘内壁稳定性不足;压力太小，导致水与鱼塘内壁接触不够充分，导致水与内壁物质交换效果不好。当倾角大于60°时，鱼塘水的侵蚀作用就比较明显;当倾角小于60°时，鱼塘水的净化作用就比较明显。

3.2 流水方式对活水鱼塘的影响

3.2.1 自然流水的方式

自然流水的方式(见图2、图3)就是指利用鱼塘与自然水源之间的高度差、压力差等自然因素，使水从压力高处的水源地流入压力低处的鱼塘，再从鱼塘流入压力更低的自然水源的流水方式。这种引水方式依靠自然与物理的力量，使魚塘的水达到一种流通的状态。

首先水由水源地由压力高处往压力低处的鱼塘流入，在此过程中会增加水中溶解氧的含量，使鱼类更加适合生存。其次增加了鱼塘水的流动性，为维持鱼塘的生物链平衡提供了条件。最后是由于水经过土壤、沟渠等通道，这些通道对水有一定的净化与固定作用，使水的水质稳定良好。

3.2.2 人工流水的方式

人工水泵的引流方式(见图4、图5)是指通过人工干预，在鱼塘与水源地之间通过水泵或无动力水管连接起来，利用机械动力或者高度差使水达到流通目的的流水方式。这种引水方式主要依靠人工干预使水达到一种流通的状态。

首先水由水源地由高处往低处的鱼塘流入，在此过程中会增加水中溶解氧的含量，使鱼类更适合生存。其次增加了鱼塘水的流动性，为维持鱼塘的生物链平衡提供了条件。但是此方式存在着不小的缺陷，由于没有土壤、沟渠等通道的净化与固定作用，使鱼塘中的水质很不稳定。水的pH值、氨氮、硝酸盐、亚硝酸盐、挥发性酚类等指标随上游的变动很大，容易导致鱼类发病甚至死亡。水质与水体的不稳定也会给鱼塘的生态环境带来很大的破坏;但同时也能够保护鱼塘不受土壤，沟渠等自然通道的污染而被污染。

人工流水方式的物理模型分析(见图6)：设入管速度ν1、出管速度ν2、水的粘性系数u、入管的高度h1、出管的高度h2 、管道的直径d、入管和出管的压强分别为p1、p2，水的密度为ρ，则：

水管内的雷诺数：

一般鱼塘淡水的雷诺数，由此可知水管的水流运动是层流，则可以列伯努利方程：

其中水头损失hf可用达西-韦斯巴赫公式进行计算：，对于层流

3.3 活水鱼塘的分类模拟实验分析

3.3.1 活水鱼塘的分类

将上述鱼塘的塘形，流水方式，承水面类型为分类参照，将活水鱼塘类型分为16种。为其进行编号分组后，进行实情实验模拟，对16组进行pH值、溶盐度、水温和溶氧量模拟测定，由此探究各种因素组合对鱼塘资源的利用效果和可持续利用的关系。

3.3.2 pH值、溶盐度、水温和溶氧量的测定

对于pH值、溶盐度、水温和溶氧量的实验测定均在夏季、控制变量与理想状态下，为期2周。

pH值的测定(见图7)：pH亦称氢离子浓度指数、酸碱值，是溶液中氢离子活度的一种标度，也就是通常意义上溶液酸碱程度的衡量标准。

盐度的测定(见图8)：盐度是指水中全部溶解固体与海水重量之比，通常以每千克水中所含的克数表示，然后再通过盐度换算表换算。

水温的测定(见图9)：水体的温度。是太阳辐射、长波有效辐射、水面与大气的热量交换、水面蒸发、水体的水力因素及水体地质地貌特征、补给水源等因素综合作用的热效应。

溶氧量的测定(见图10)：溶氧量指的是水中氧气的溶解量，溶氧量是水中生物在水中生存的重要指标之一。溶氧量的含量随着水温、大气压力及盐度而异。

3.3.3 pH值、溶盐度、水温和溶氧量的分析

由以上数据综合分析可知：鱼塘的塘形，流水方式，承水面类型对鱼塘中的pH值、溶盐度、水温和溶氧量会产生影响。

(1)鱼塘的倾角以60°为界，大于60°时，对各指标的影响为加速pH值减小，降低盐度，增加水温以及增加溶氧量;小于60°时，对各指标的影响为加速pH值增大，增加盐度，降低水温以及降低溶氧量。

(2)鱼塘底部为“向斜型”时，对各指标的影响为加速pH值减小，降低盐度，增加水温以及增加溶氧量;鱼塘底部为“背斜型”时，对各指标的影响为加速pH值增大，增加盐度，降低水温以及降低溶氧量。

(3)鱼塘流水方式为自然流水时，对各指标的影响为加速pH值增加，增加盐度，增加水温以及降低溶氧量;鱼塘流水方式为人工流水时，对各指标的影响为加速pH值减小，降低盐度，降低水温以及增加溶氧量。

(4)鱼塘承水面类型为软质时，对各指标的影响为加速pH值增大，增加盐度，降低水温以及增加溶氧量;小于60°时，对各指标的影响为加速pH值减小，降低盐度，增加水温以及降低溶氧量。

4 基于地理分析的活水鱼塘资源利用

4.1 活水鱼塘承水面类型对鱼塘的资源利用的影响

活水鱼塘承水面是指鱼塘与塘水接触的表面即鱼塘的内壁与底部，其物质组成对鱼塘资源利用会产生很大的影响。调查发现，在粤港澳大湾区鱼塘的承水面一般分为两种，一种是由砂岩和页岩等岩石风化后形成的土壤以及一些未风化完成的岩石杂质组成，较软;另一种是由砾石、砂岩等坚硬岩石还未风化完全的岩石或水泥及部分水泥成分组成，较硬。

温度是影响鱼类生活与鱼塘环境的重要因素。其中对鱼类生存产生影响的主要是气温和水温。最适合鱼类生长的气温大约在22℃～28℃，而气温则是20℃～26℃，温差在5℃～9℃(取四大家鱼的平均适宜温度)。

对由砂岩和页岩等岩石风化后形成的土壤以及一些未风化完成的岩石杂质组成的鱼塘承水面来说，由于一天中太阳的入射角、土壤空隙度、土壤水分等状况的改变，土壤可以起到很大的调节温度的作用。南方夏日气温高时，土壤含水量较高时，由于水的比热容较大，土温不易上升，能有效控制鱼塘水温和鱼塘表面气温大幅度地升高，使鱼塘水温和鱼塘表面气温保持在适宜鱼类生长的温度。南方冬天气温较低时，土壤中的水分、植物以及微生物能使土壤温度大幅度地降低，水比热容大，温度不易下降，植被、微生物由于呼吸作用等各种生理作用产热增加土壤表面及近地层气温，所以也能使鱼塘水温和鱼塘表面气温保持在适宜鱼类生长的温度。鱼塘底部质软，流动性较强，适合微生物与水中植被生长。由砂岩风化物形成的泥与水接触密切，使塘底与水底的循环系统正常运作。泥底与水之间会发生许许多多的生化反应，比如植被的净水作用，水对泥底的侵蚀等。这些反应起到了稳定水体，稳定生物链，增加溶解氧含量等维持鱼塘生态系统的重要作用。而泥底环境也为鱼类产卵提供了优良的场所，有利于鱼类的繁殖。总而言之，砂岩风化后形成的土壤以及一些岩石杂质组成的鱼塘内壁具有稳定温度的特性。对由砾石、砂岩等坚硬岩石还未风化完全的岩石或者水泥及部分水泥成分组成的鱼塘承水面来说，这类承水面水与生物的存在较少，并且对太阳的辐射特别强。所以在南方的夏日温度高时，由于辐射作用会使水温和表面温度升高，超出鱼类适宜生长的温度。而冬日时，这类承水面对温度没有任何调节作用，导致温度低于鱼类最适宜生长温度。这类承水面呈颗粒支撑，填隙物较少，常被硅质胶结。承水面岩石分选性好，圆度高，岩石粒度偏小，岩岩层较薄。所以岩石对塘水有一定的过滤与沉积作用，能使水体更加清澈。但是缺少植被与微生物，塘底与水体的联系不紧密，就缺少了塘底对水的净化，物质交换作用。而且不利于鱼类产卵。

4.2 活水鱼塘资源利用的宏观地理的影响分析

根据上一部分的研究，得出的鱼塘的塘形、流水方式、承水面类型与鱼塘中的pH值、溶盐度、水温和溶氧量的影响关系(见表2)。

由现有资料文献可知：最适合鱼类生长的水温是20℃～26℃，温差在5℃～9℃(取四大家鱼的平均适宜温度);最適鱼类生长的pH值为7.5～8.5;最适合鱼类生长的盐度为5～7;最适鱼类生长的溶氧量为5～8 mg/L。

在需要以调整这pH值、盐度，升高水温、溶氧量等方式来达到活水鱼塘资源的最佳利用效果的情况下，采用化学生物方法必然会对鱼塘生态造成影响，故可以采用调整倾角、塘底类型、流水方式、承水面类型来以自然方式使活水鱼塘资源的利用达到最佳情况。

4.3 活水鱼塘资源利用区域影响分析

资源与区域的关系，是最近几年国家最重要的研究方向之一。本文从区域战略发展的四个方面来分析其对活水鱼塘资源利用的影响。

(1)注重区域战略挖掘新的经济增长极，意味着对区域的经济投入将会巨幅增加。随着培养新的经济增长极的战略所需，资本投入与技术投入都会大幅增加。对于活水鱼塘资源来说，资本的投入可以增大对鱼塘资源的优势化改造，使其更加合理与科学;而技术的引进能使其资源结构更加完善，资源利用率更加接近最优。但是过多的资本引进也可能会导致产业结构混乱，资本投入不当等，要注意供给侧与需求侧的平衡。

(2)区域建设中国高级城市群，加强区域联系。区域联系的加强对于鱼塘资源乃至整个产业都有举足轻重的作用，区域联系的加强可以完善产业的结构，加强资源区域性合理分配。运输与联系的信息便利可以使资源能被更加充分的利用。区域发展战略融合多个“群”，即湾区群、港口群、产业群与城市群等。这些大群的叠加为鱼塘资源的产业发展带来了动力，使其发展充满活力。同时要注意区域间的协调发展，防止出现资源配置的不合理与过度的不平衡。

(3)区域发展会拥有许多国家支持的政策，作为国家发展的战略要地，如粤港澳大湾区必然聚集了大量的国家利好政策。活水鱼塘的发展必须要抓住这些便利政策，形成个体资源合理改造与区域资源合理配置。

(4)注重区域发展的新发展模式。粤港澳大湾区多级共生、梯度发展、平等合作，具有很强的产业活力。在大湾区中各城市的功能明确，联系很强，以粤港澳大湾区为例，鱼塘产业的生产可以更多地选择在惠州、肇庆等成本较低的区域，鱼塘产业的加工可以集中在东莞、佛山等制造业中心，而鱼塘产业的高科技研究、销售和周边产业与服务则可以更多地向广州、深圳等科技、文化、贸易中心靠近。

5 未来与展望

活水鱼塘作为一种重要的自然资源，需要得到人们的重视。在我们看来，活水鱼塘需要更多的关注与调查。随着国家不断重视生态文明建设，对鱼塘的调查与研究一定会得到国家的支持与帮助。除了本次研究的范围外，鱼塘周边环境对鱼塘的影响，鱼塘地理位置对鱼塘的影响等外界因素也十分值得去调查与研究，只有对鱼塘的研究不断地深入，人对鱼塘的资源的利用效果才会越来越好。

在鱼塘资源保护方面加大对鱼塘资源的保护。禁止过度的污染与破坏鱼塘的行为，对鱼塘周围的环境进行有效治理。对污染、破坏鱼塘资源者给予警告和惩罚。加大对鱼塘资源的研究。加大对鱼塘资源方面研究的投入，有了国家政策和资金支持，这方面研究将会突飞猛进，为人民造福。加大对这方面研究的鼓励，能让从事资源研究的人更有信心，努力工作。

在技术创新方面，可以利用数据分析，数学建模，设计一套科学的鱼塘承压、流水方式、塘底设施模型，并将其推向大众。结合当地情况，将鱼塘自身设施标准化。希望能有更多人研究鱼塘资源，在这方面引进更多的人才，为粤港澳大湾区的鱼塘资源利用贡献宝贵的力量。使活水鱼塘资源的利用达到环保、有效、耗能低、产量高的目标，为了从事鱼塘有关工作的人们谋福利，谋幸福。

参考文献

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作者：张卓越 陈楚楚 黄华 罗勇 胡嘉燕 蔡婉滢 张雯彦

基于环境监测的农业科学论文 篇2：

基于专家系统的黄瓜园区无线智能监控系统研究

摘要：拟研发基于专家系统的黄瓜种植园区智能监控系统，该系统可对黄瓜园区多处的温度、湿度、光照度、土壤水分含量、二氧化碳浓度进行实时监控，帮助管理员将作物生长环境调节到最佳状态。该系统基于ZigBee无线网络技术对环境数据进行采集传输，通过通用分组无线服务(GPRS)技术将环境数据上传到云服务器并存储，利用专家系统对黄瓜病害进行诊断，同时提供病害解决方案。实际运行结果说明，该系统大大提高了黄瓜种植园区的生产效率和产品质量，也可为其他农业生产环境的智能监控、统计、分析提供依据。

关键词：专家系统;无线智能监控;ZigBee;通用分组无线服务(GPRS);信号滤波

收稿日期：2016-04-21

基金项目：国家自然科学基金(编号51475251);山东省自然科学基金(编号：ZR2014EEM024);山东省科技重大专项(编号：2015ZDZX10002)。

作者简介：赵宏才(1958—)，男，辽宁抚顺人，硕士，副教授，主要从事自动控制理论应用、机器人控制及信息处理等方面的研究。E-mail：zhaohongcai2003@163.com。

通信作者：赵晓杰，硕士研究生，主要从事智能控制技术、农业信息技术等方面的研究。Tel：(0531)82605225;E-mail：kuailewfxj@126.com。随着农业科技水平的提高和人们生活的改善，黄瓜已成为人们冬季餐桌上的家常菜。目前，黄瓜在我国大部分地区都有种植。由于种植园区常年生产，其环境条件相对稳定，使得病虫害有了长期稳定的生活环境;又由于黄瓜喜温不耐寒的特性，也导致黄瓜在冬季长势弱、易染病而且恢复能力差。园区环境条件超出黄瓜生长耐受限度，就会造成黄瓜减产，带来一定的经济损失。为在短时间内提高产品质量和经济效益，需要给黄瓜提供最适宜的生长环境。调控好黄瓜种植园区内部的温度、湿度、光照、二氧化碳浓度、土壤水分含量以及对病虫害的实时监控与预防是黄瓜种植管理最根本的问题。目前，国内对该领域的研究仅仅局限在对环境信息的采集方式和数据传输方法[1-4]上。

为此，本研究设计了黄瓜种植园区的实时无线智能监控系统，该系统在现有系统基础上做了以下改进：系统通过无线终端采集园区环境数据，并进行远程监控，其中监测终端将采集到的数据进行滤波处理，减小外界因素的干扰;以环境参数作为专家系统的决策依据，通过推理机制，帮助管理人员快速有效地诊断病害及病因;对云服务器存储数据进行分析，实现上位机对园区环境的智能控制。

1设计原理及系统结构

智能监控系统主要由上位机客户端、云服务器、无线通讯网络、智能终端和环境监测传感器构成，智能监控系统见图1。安装在种植园区的无线智能终端由太阳能电池板供电，无需外接电源，由程序控制在低功耗模式下可常年运行，以保证对黄瓜生长周期进行无缝监控。智能终端将传感器感知的环境数据经过滤波处理后，通过ZigBee与通用分组无线服务(GPRS)网络技术传送到云服务器。远程监控终端采集到的实时环境数据与专家知识库的环境要素对比，根据黄瓜当前生长期对生长要素的需求，对黄瓜园区内的温度、湿度、光照度、土壤水分含量以及CO2浓度进行调节，合理科学地控制影响黄瓜生长的各种环境因子，从而为黄瓜提供一个最适宜的生长环境，根据发病情况诊断病因并提出治疗方案。

2智能监控系统的硬件设计

在监控系统的硬件电路设计中，主要考虑系统的低功耗、稳定性、集成性和维护性。系统硬件主要由智能控制器网关、数据采集终端和控制终端构成。

2.1智能控制器网关设计

控制器网关负责将ZigBee协调器返回数据与GPRS数据实现互传，完成双向数据转换以及协议转换。GPRS无线模块与控制器的UART1连接，通过控制器发送AT指令来实现GPRS通信连接及数据传送。控制器还通过UART0与ZigBee协调器连接，实现采集数据接收与数据存储。其实质是控制器为实现ZigBee和GPRS的双向数据转换的网关。

控制器采用TI公司生产的超低功耗、高性能的MSP430F5438处理器，带有4个通用串行通信接口。GPRS通信采用中兴ME3000_V2模块，支持内嵌传输控制协议/因特网互联协议(TCP/IP)协议，UART接口最高可提供230.4 kbps的数据传输速率。ZigBee协调器采用TI公司生产的CC2530处理器，配置串口以及通用I/O接口。系统控制器采用“太阳能+锂电池”供电，太阳能电池利用充电模块向 3.7 V 的锂电池供电，保证系统持续稳定供电。系统控制器网关连接见图2。

2.2数据采集终端设计

数据采集终端负责将采集到的黄瓜园区环境信息转换为

数字信号，并通过ZigBee网络将信号发送到控制器网关。

CC2530的P0口有8个独立配置通道的模拟多路转换器，环境数据采集传感器均采用模块式传感器，供电后，传感器返回的4～20 mA模擬信号输入到CC2530芯片的P0口，经过数字滤波和A/D转换处理后，利用ZigBee网络将各节点数据返回到控制器网关。接有太阳能电池的3.7 V锂电池直接给ZigBee终端节点供电，传感器由升压模块将3.7 V的电压抬升到12 V以后的电压供电(图3)。

2.3智能控制终端设计

种植园区控制部分用CC2530通过继电器来控制温室设备(风机、卷帘、水泵、喷头等)的启停，根据实际情况，系统采用光耦控制电路与驱动电路隔离的6路继电器模块，可以驱动大功率负载(交流电AC 250 V/10 A，直流电DC 30 V/10 A)，继电器控制原理见图4。5路继电器共用电源和数字池，控制输入接口均连接到P0(除P0_2、P0_3)端口。

3系统软件设计及数据处理

智能监测系统软件主要包括硬件驱动程序和上位机软件等2个部分。硬件驱动程序主要包括ZigBee组网设计程序、智能控制器网关及GPRS通信设计程序。采用C#.NET对上位机软件开发了1个监控平台和结构化查询语言(SQL)技术管理数据库。

3.1ZigBee组网设计

如图5所示，ZigBee组网包括终端节点组网和协调器节点组网等2个部分，采用星形组网方式。各个终端节点将采集到的环境数据直接发送给协调器节点。协调器组网主要实现ZigBee网络的组建、数据收发以及与控制器网关串口数据通信。

终端节点的主要职责是采集环境信息并将数据进行 A/D 转换，然后在接入网络的前提下，按照协调器发送过来的指令，将采集到的数据发送到协调器。

3.2控制器网关及GPRS通信设计

控制器网关采用MSP430超低功耗处理器，负责通过UART0接收协调器返回各个节点的环境因素进行处理运算，按照电流和温湿度、光照度、土壤水分含量、CO2浓度对应关系计算出实际环境数据。然后通过UART1将数据发送到ME3000的数据缓冲区，由ME3000将数据输出到远程监控系统。GPRS模块与云服务器采用TCP/IP协议进行远程通信。控制器网关通过向ME3000发送AT指令进行网络配置，ME3000与监控中心通信连接流程如图6所示。

3.3上位机软件

系统采用结构化查询语言(structured query language，简称SQL)管理数据库，将Visual Studio 2010作为开发软件，用C#.NET平台开发工具来构建远程监控诊断系统，软件系统根据采集到的数据信息发送终端设备控制指令，实现对种植园设备的远程控制，从而调节园区内黄瓜的生长环境。

3.4监测终端数据滤波

对于不同位置的农田环境，监测数据极易受到农田劳作、环境扰动等波动性干扰。监测终端除了需要硬件调理电路外，还必须针对不同的检测量，采取各种有效的数字滤波方法[5]。

监测终端将采集到的不同环境信号数据代入式(1)，分别计算每路采集信号平均变化率μ。

μ=1n∑dPiPidt。(1)

式中：μ为信号平均变化率;n为采集次数;Pi为每次信号的采集值;dt为信号采集间隔。

根据每路信号的平均变化率，监测终端自动选择合适的数字滤波方法。例如温度、湿度等大部分农田环境参数变化缓慢(当μ<0.2时，信号变化率比较慢)的监测量，监测终端的嵌入式软件会自动采用滑动平均滤波方法。相关公式如下：

y(t)=1T0∫tt-T0f(x)dx。(2)

式中：y(t)为滤波后的当前采集值;f(x)为当前实测值;T0为滑动滤波长度。系统软件将新数据放到滤波队列的队尾，扔掉最早采集的数据，滤波后的输出值为固定滤波长度的算术平均值。

当0.2≤μ<0.5时，监测终端自动选择在本段采集范围内，舍弃最大值和最小值后加权平均[6]或改进的变步长自适应最小均方算法[7]进行滤波。

当0.5≤μ时，信号变化频率比较快，监测终端自动选择快速跟踪滤波的方法。

4专家系统病害诊断及环境控制

本研究中的无线智能监控系统将无线采集系统和专家系统相融合，将采集到的环境因素作为专家系统推理机的条件或已知信息，按照专家思维方式解决问题的推理机根据已知条件与专家知识库中存储信息进行对比分析，得出病害症状。利用模糊控制算法[8]对各种黄瓜生长环境进行控制，将模糊控制算法与专家系统知识库融合后，对控制终端输出命令。

4.1黄瓜生长因素及病害专家知识库的建立与分析

专家系统知识库的建立是以专家知识和经验为基础与核心，可通过咨询相关领域专家以及查阅相关文献书籍等途径获取黄瓜种植相关知识，包括黄瓜病虫害种类及其防治措施和影响黄瓜生长的环境因素。

该系统决策层主要分为环境决策模块和病害防治决策模块。环境决策模块主要对黄瓜的各个生长时期提供黄瓜最适宜的生长环境数据;黄瓜病害防治决策模块的主要任务是结合用户给出的病害症状、部位、发病时期推理出病害名称、原因以及解决措施，将知识规则规范化，与决策对象所对应的内容结合，对规则条件进行分级处理，主要对黄瓜病害的知识库进行重新学习与归纳，根据病害类别、特点、发病部位、发病时期和防治建议建立对应的事实表。

4.2推理机设计

推理机利用建好的知识库使得专家系统按照一定逻辑顺序进行病害诊断，主要包括推理方式和控制策略等2个部分。本研究主要对黄瓜基本病害进行诊断并对生长环境提出建议，所以本系统推理机采用正向推理的方法，形式如下：

5系统测试结果

在病害诊断界面，用户可以输入黄瓜发病时期、发病部位、病害症状和颜色，系统依据输入条件、规则诊断出结果，并给出防治措施及发病原因。病害诊断界面如图8所示。试验结果表明，该系统能够根据输入病害特征准确判断出黄瓜病害及病因，并提出相应的防治措施。

利用监控软件从云服务器获取监测数据进行统计分析，选取其中1个节点，摘录了其中24 h的棚内空气温湿度和土壤温度曲线。由图9可以看出，环境数据没有出现大幅度扰动或数据丢失现象。

6结论

基于专家系统的黄瓜园区无线智能监控系统通过专家系统、ZigBee和GPRS技术的融合，实现了远程监测与黄瓜种植园区环境控制。通过引入专家系统，针对病害作出准确诊断，解决了以往由于专家和管理人员不足而引起的大规模病害突发而造成黄瓜大量减产的问题。系统具有稳定性高、抗扰动性强、实时性好、能耗低、园区无人化作业等特点，实际运行效果良好，对其他农业生产具有良好的市场推广前景。

参考文献：

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[2]刘媛媛，朱路，黄德昌. 基于GPRS与无线传感器网络的农田环境监测系统设计[J]. 农机化研究，2013，35(7)：229-232.

[3]张晓娜. 基于ZigBee技术的无线温度传感器网络节点的设计[D]. 西安：西安电子科技大学，2011.

[4]姜水. 基于WSN的温室植物生理生态监测系统研究[D]. 洛阳：河南科技大学，2014.

[5]Li C H，Yu Y T，Liu Y C，et al. A digital filtering approach in measurement and control system[C]//Advances in Manufacturing Science and Engineering，2013，712-715：2615-2618.

[6]譚家杰. 基于微控制器数字滤波实现[J]. 衡阳师范学院学报，2013，34(6)：16-20.

[7]吕照顺，吴晗平，李军雨. 改进的变步长自适应最小均方算法及其数字信号处理[J]. 强激光与粒子束，2015，27(9)：39-43.

[8]陈辉. 基于ZigBee与GPRS的温室番茄远程智能灌溉系统的研究与实现[D]. 杭州：浙江大学，2013.魏玉珍，邹栋林，刘勇兰，等. 大蒜种植机中直立筛选装置的研制[J]. 江苏农业科学，2017，45(17)：219-221.

作者：赵宏才 赵晓杰 张兴波 王茂励

基于环境监测的农业科学论文 篇3：

基于物联网技术的农业环境监测系统研究与设计

摘要：对农业生产环境进行实时监测，能及时获知农作物生产状态，对指导农业科学生产，提高生产效率，改善农村生产生活环境，促进农业增产增收具有重要意义。提出了基于物联网技术的农业环境监测系统方案，设计了基于ZigBee技术的无线传感器网络、基于嵌入式技术的网络服务中心，实现了对农业生产环境参数的实时监测，为农业生产的智能化提供参考，为农业生产过程中的科学管理提供了有力支持。

关键词：物联网;嵌入式;农业环境监测;ZigBee技术;无线传感器

当前我国正掀起“美丽家园” 新农村建设的高潮，农业智能化、现代化是新农村建设的重要内容。基于物联网的智能农业是在现代信息技术支撑下的新的农业形态，基于物联网技术的农业生产环境监测系统，通过对农业环境监测，即对农业生产过中的农作物生长情况、温度、湿度、光照度、土壤营养等进行实时监测与控制，能有效改善农作物生产环境，提高产量与质量[1]。物联网技术在农业生产中的应用，极将大提升农业生产效率与质量，同时有效降低生产成本，促进农村生产生活环境的改善。

1系统总体方案设计

1.1系统整体性分析

基于物联网技术的农业环境监测系统由感知层、网络层和应用层组成[2]。感知层包括信息采集、协同处理、智能组网和信息服务。网络层的功能是实现感知数据和控制信息传递，建立感知层与应用层的信息交互桥梁。应用层主要是通过分析处理感知数据，为用户提供各种特定服务或应用。

农业生产环境主要包括温湿度、光照度、CO2浓度等。为了实时测量这些信息，感知设备一般都是部署于远郊温室、大田、野外现场。由于农业对象的多样性、多变性和地势的复杂性等特点，需要部署数量庞大的传感器，而且传统的传感器有线组网方式，设备投入大，不适应大范围应用。

另外在通信方面，通常采用B/S、C/S的PC方式或者短信SMS的方式进行远程数据通信。前者过于依赖固定的PC机和传统网络，不能实时进行监测;后者无法满足信息多样化、高质量、大数量的要求。

鉴于以上分析，本研究提出以无线传感器网络、嵌入式为技术特点的物联网农业环境监测系统的设计思想。通过无线传感器网络和无线通信方式对农业对象进行信息的采集和传输、存储和处理。并且用户可以通过智能手机的客户端随时查看各种信息以及对各种生产参数进行调整与控制。基于物联网技术的农业环境信息监测系统的基本功能包括农业生产环境参数的采集、短距离无线组网与数据传输、数据处理以及数据库管理、远程设备的状态监测与调控、智能手机终端的监测应用等。

1.2系统方案及体系结构设计

监测系统总体框架设计如图1所示，系统主要由无线传感网络节点和网络服务中心(中央服务器)组成。每个无线传感网络节点主要由电源管理模块、传感器模块、信号处理电路、嵌入式处理器、ZigBee模块、RS232串口模块等组成，用于采集并发送各路传感器数字信号。网络服务中心则拥有平台软件和ZigBee协调器，用于接收和保存数据、参数分析、数据处理等[3]。

2系统硬件设计

2.1传感器节点设计

传感器网络由2种节点组成如图2所示，分别是末梢节点和汇聚节点(也叫基站节点)。末梢节点对环境信息进行测量釆集并通过无线网络将数据发送给汇聚节点，汇聚节点是连接末梢节点与网络中心之间的联接桥梁，其功能是将数据汇集并发送给网络中心，同时将网络中心的配置要求发送给末梢节点[4]。

2.2温湿度信息采集电路设计

温湿度采集电路如图3所示，U3、U4、U5是用于探测温湿度的数字传感器DS18B20，每一次命令和数据的传输都是由主机启动的写时序开始，此时从设备都处在侦听状态，数据和命令的传输顺序都是低位在先。在读取DS18B20检测到的温度数据时，主机在发出写命令后，再启动读时序完成数据接收[5]。

2.3控制与通信模块设计

运用ZigBee技术将各个传感器之间的信息进行无线传输，本系统采用TI(德州仪器)公司的ZigBee无线收发芯片CC2530和它内置的高性能851CPU内核作为无线传感器节

点的通信中心和控制中心，技术成熟、控制质量好、功耗小、成本低廉[6]。ZigBee模块的接口电路如图4所示，RX、TX与单片机的UART相连，RST置低电平至少200 ns可让ZigBee 模块复位重启。

2.4网络服务中心

网络服务中心的主要功能是感知层与汇聚节点间的通信、数据分析处理、存储以及网络接入并提供应用服务，因此其处理芯片应具有良好的数据处理性能，并拥有广泛的硬件扩展接口。本系统采用三星公司的S3C6410处理器芯片，此芯片基于ARM11技术，功能强大，网络服务核心部件组成如图5所示。

3系统软件设计与实现

3.1无线传感器网络节点程序设计

无线传感器网络系统由传感器末梢节点和汇聚节点组成[7]。大量传感器末梢节点随机部署在监测区域内，通过ZigBee自组网技术构成网络，每个末梢节点都分配1个唯一的节点地址。传感器采集的各种参数数据沿着末梢节点逐跳传输，经过多跳后路由到汇聚节点，最后通过互联网或移动通信网络到达网络服务中心。无线传感网络具体工作过程是，在系统上电后，节点进行初始化，开始按照事先约定的协议进行数据采集和传送[8]。如果接收到网络中心的指令，末梢节点就对数据进行解析处理，并按要求修改相关配置。汇聚节点的功能是联通末梢节点与网络中心之间的数据传输路径，同时监管ZigBee模块和PC机串口通信模块，确保两模块间的通信畅通。

3.2网络服务中心程序设计

网络服务中心程序设计详见图6。

3.3客户端手机监测端软件设计

客户端手机检测端软件设计详见图7。

4系统测试

4.1实物原型

数据采集节点和主机通信模块分别如图8、图9所示。

4.2节点测试

利用串口调试软件对各传感器节点的数据采集、传输情况进行测试。(1)将测试程序代码分别下载到末梢节点和基站节点，末梢节点的默认上传周期为1 s。(2)将基站节点与PC机的串口相连，打开串口调试工具，并将波特率设置为 9 600。(3)运行程序就可以看到串口收到基站节点发送的数据，如图10所示。基站节点有数据写入了串口设备，其中前2条指令为指令1：01 01 26 28 04 13 14 7B和指令2：01 02 04 26 32 13 1E 8F。末梢节点与基站节点的通信协议为：指令码+节点地址+数据长度+数据+验证码。指令1表示节点1采集到的温度为19.2℃，湿度为38. 4%，指令2表示节点2当前的温度为19. 3℃，湿度为38. 5%。基部节点的数据更新速度为1 s。以上测试说明，无线传感器网络的节点数据采集及传输运行正常。

4.3嵌入式网络中心通信测试

嵌入式网络中心的任务是为远程客户端提供应用服务，进行数据传输，具备远程网络通信的能力。(1)将嵌入式网络中心连接到路由器上，并通过PC+串口终端的方式对其进行操作。(2)修改ethO-setting文件中的网络设置，并重新启动网卡设备。(3)开启同一路由器的PC的通信软件，设定服务器地址和端口以及通信方式。(4)输入测试内容“hello”，并发送，嵌入式网络中心的通信界面如图11所示，网络中心成功接收到了局域网的客户端的数据。该模块通过监听UDP SOCKET的方式，获取了客户端发送的测试信息，并成功地解析和显示了数据和客户端的IP地址和通信端口。

4.4客户端通信测试

通过系统软硬件的设计，移动智能设备即可以查看各数据采集节点采集回的数据，如图12为移动终端收到来自其中一个节点的传感数据。

5结论

通过对系统传感器节点、网络中心以及客户端进行测试，说明该系统软硬件的设计合理，系统的基本功能都得以实现。

参考文献：

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作者：李敏